[논문]The Effect of Novel Engineering-based Artificial Intelligence Education Program on Convergence Attitude of the Gifted Students in Computing Convergence

Ji-Yun Kim

doi:10.9708/jksci.2024.29.09.307

[국내논문] The Effect of Novel Engineering-based Artificial Intelligence Education Program on Convergence Attitude of the Gifted Students in Computing Convergence

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.29 no.9, 2024년, pp.307 - 316

Ji-Yun Kim (Elementary Education Research Institute, Jeju National University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 초등정보융합영재 학생들을 대상으로 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 적용하고 융합 태도의 변화를 확인하고자 하였다. 이를 위하여 노벨 엔지니어링 및 영재 학생 대상의 인공지능 교육에 대한 선행연구를 분석하고 이를 바탕으로 주제별 인공지능 개념 및 원리를 학습할 수 있는 도서를 선정하여 15차시 분량의 교육 프로그램을 완성하였다. 개발된 프로그램은 3회 15차시에 걸쳐서 정보융합영재 학생 10명에게 적용되었으며 적용 전-후 동일한 융합 태도 검사를 실시한 결과, 융합 태도에 긍정적인 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 본 연구는 영재 학생의 인공지능 융합 교육을 위한 노벨 엔지니어링의 가능성을 제시하였다는 점에 의의가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we attempted to apply a novel engineering-based artificial intelligence education program to elementary gifted students in computing convergence and confirm changes in their convergence attitudes. To this end, we analyzed previous research on novel engineering and artificial intelligence education for talented students, and based on this, we selected books to learn artificial intelligence concepts and principles for each topic and completed a 15-session educational program. The developed program was applied to 10 giftedness in computing convergence over 15 lessons, and as a result of conducting the same convergence attitude test before and after class, it was confirmed that it had a positive effect on convergence attitude. This study is significant in that it suggests the possibility of novel engineering for artificial intelligence convergence education of gifted students.

Keyword

표/그림 (9)

표 Table 1. Research Design
표 Table 2. Composition of test scale
그림 Fig. 1. Scene of the class
그림 Fig. 2. Learning Materials
표 Table 3. Contents of "Learning AI with Stories"
그림 Fig. 3. Padlet Page for the Project
표 Table 4. Result of Shapiro-Wilk test
표 Table 5. Result of paired t test
표 Table 6. Result of satisfaction test

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

최근 인문학적 상상력과 창의력이 결합된 공학 인재의 양성을 위한 인공지능 영재교육 방법론으로 스토리텔링의 중요성이 강조되고 있으며[5], 이에 본 연구에서는 스토리텔링 기반 교수법의 한 종류인 노벨 엔지니어링(Novel Engineering) 기반의 인공지능 영재교육 프로그램을 개발하고 그 교육적 효과성을 검증하고자 한다. 교육부(2020)에서는 정보 기반 인공지능 융합교육의 방법으로 노벨 엔지니어링을 제시하기도 하였으며[6] 관련 연구도 꾸준히 수행되고 있으나[7] 영재학생 대상의 연구는 거의 진행되고 있지 않은 상황이다.
본 연구에서는 개발한 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 초등정보융합영재 학생들에게 적용하고 그 교육적 효과성을 파악하기 위하여 단일집단 사전-사후 실험을 설계하였다. 이를 위하여 실험 처치 이전과 이후에 동일한 융합 태도 검사를 실시하여 변화를 측정하고자 하였으며, 실험 처치로는 15시간 분량의 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 개발하여 적용하였다.
본 연구에서는 영재 학생의 인공지능 융합교육 방법으로 노벨 엔지니어링을 적용한 교육 프로그램을 개발 및 적용하고 그 교육적 효과성을 확인하고자 하였다. 이를 위하여 15차시 분량의 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 개발하고 이를 10명의 초등정보융합영재 학생들에게 적용하였으며 적용 전·후의 융합 태도의 변화를 살펴 교육적 효과성을 확인하였다.

제안 방법

따라서 융합의 측면에서 어느 한쪽이 도구로 사용된다기보다 문학과 공학 두 측면 모두에서 긍정적인 효과를 미친다[10][17][19]. 본 연구의 연구 대상은 초등정보융합영재 학생들로, 융합에 강조점이 있으므로 본 연구에서는 두 스토리텔링 기반 인공지능 교육 기법 중 융합 키워드에 조금 더 강점이 있는 노벨 엔지니어링을 인공지능 교육 프로그램 개발의 방향으로 설정하였다.
본 연구에는 2023학년도 J 대학교 과학영재교육원 초등부 정보융합트랙 심화 과정 전체 재적인원 11명 중 본 프로그램의 적용 기간에 출석하지 않은 1명의 학생을 제외한 재학생 10명(남 6명, 여 4명)이 참여하였다. 참여자들은 초등학교 6학년 학생들로 기존에 수학, 과학, 발명, 정보 등 전년도에 다양한 영재교육 기본과정을 수료한 학생 중 지원자를 선발하여 전체 100시간의 교육과정이 운영되었으며 본 연구에서 개발한 교육 프로그램은 그 일부로서 편성되었다.
본 연구에서는 개발한 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 초등정보융합영재 학생들에게 적용하고 그 교육적 효과성을 파악하기 위하여 단일집단 사전-사후 실험을 설계하였다. 이를 위하여 실험 처치 이전과 이후에 동일한 융합 태도 검사를 실시하여 변화를 측정하고자 하였으며, 실험 처치로는 15시간 분량의 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 개발하여 적용하였다. 한편, 사후 검사에는 추가로 만족도 검사를 실시하였다.
본 연구의 교육적 효과성을 측정하기 위한 설문은 연구 참여자를 대상으로 전체 교육 프로그램 적용 전·후에 설문지를 배부하여 회수하는 방식으로 진행하였다. 자유 서술형 문항 2개를 제외한 각 문항에 대한 응답은 리커트 5점 척도(전혀 그렇지 않다(1) ~ 매우 그렇다(5))로 수집되었다.
초등정보융합영재학생을 위한 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램은 이야기 속에서 문제를 발견하고 해결하는 노벨 엔지니어링의 특성을 고려하여 ‘이야기로 배우는 인공지능’이라는 테마로 설계되었다. 본 연구에서 다루는 인공지능 개념과 원리가 기본적으로 다소 난이도 있기에 학생들이 조금 더 쉽고 재미있게 이해할 수 있도록 피지컬 컴퓨팅 교구인 햄스터 로봇을 활용하였다. 햄스터 로봇을 이용한 소프트웨어 교육이 초등학생 학습자들에게 흥미를 높일 수 있기 때문이다[32].
먼저 이야기를 파악하고 내용에서 문제 상황을 포착하여 주인공이 자신의 감정을 이해하고 건강한 방법으로 부정적인 감정을 해소할 수 있도록 하는 것을 해결책으로 설정하였다. 그리고 주인공이 이를 연습하기 위한 방법으로 AI의 감정 파악 원리를 이해하고 감정 분류 모델을 직접 제작해 보았다. 이후 모델을 활용해서 나를 위로해 주는 감정 로봇을 만들고, 스스로 감정을 이해하여 다스릴 수 있도록 보조하는 로봇을 선물하며 주인공에게 줄 편지를 작성하는 것으로 활동을 설계하였다.
3주차의 ‘작은 고추가 맵다.’ 프로젝트에서는 이솝우화<사자와 생쥐>를 활용하여 생쥐가 사자에게 은혜를 갚기 위해 함정을 피하는 똑똑한 햄스터 봇을 선물해서 사자가 함정을 잘 피해 다닐 수 있도록 강화학습을 활용하여 로봇을 훈련하는 프로젝트를 설계하였다.
본 연구에서 개발된 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램은 J 대학교 부설 과학영재교육원 초등 정보융합영재 심화반 학생 10명을 대상으로 2023년 9월에서 10월 3회에 걸쳐 15시간 동안 적용되었다. 수업 장면 일부는 Fig.
본 연구에서 개발한 교육 프로그램의 교육적 효과성을 확인하기 위하여 실험 처치 전, 후에 사전 검사와 사후 검사로서 동일한 융합 태도 검사를 실시하였다. 분석에 앞서 표본 수가 n = 10으로 정규분포를 만족하는지 확인하기 위하여 하위영역별 Shapiro-Wilk 정규성 검정을 실시하였다.
이를 위하여 15차시 분량의 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 개발하고 이를 10명의 초등정보융합영재 학생들에게 적용하였으며 적용 전·후의 융합 태도의 변화를 살펴 교육적 효과성을 확인하였다
첫째, 초등정보융합영재 학생들을 대상으로 문학과 공학을 융합한 문제 해결을 경험할 수 있는 15차시 분량의 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 개발하였다. 이를 위해 각 수업에서 다룰 인공지능 개념 및 원리를 결정하고 이에 적합한 도서를 선정하여 수업 내용을 구조화하였다.
첫째, 초등정보융합영재 학생들을 대상으로 문학과 공학을 융합한 문제 해결을 경험할 수 있는 15차시 분량의 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램을 개발하였다. 이를 위해 각 수업에서 다룰 인공지능 개념 및 원리를 결정하고 이에 적합한 도서를 선정하여 수업 내용을 구조화하였다. 전 세계적으로 인문, 사회, 공학의 융합적 접근을 통한 학제 간 연구가 활발한 현 상황에서, 스토리텔링 기법을 적용하면 인문학적 소양을 기반으로 한 상상력과 창의적 사고를 공학 기술과 접목하여 문제를 해결하는 창의적 인재 양성이 가능하다[5]는 점에서 본 연구는 의의가 있다.

대상 데이터

본 연구에는 2023학년도 J 대학교 과학영재교육원 초등부 정보융합트랙 심화 과정 전체 재적인원 11명 중 본 프로그램의 적용 기간에 출석하지 않은 1명의 학생을 제외한 재학생 10명(남 6명, 여 4명)이 참여하였다. 참여자들은 초등학교 6학년 학생들로 기존에 수학, 과학, 발명, 정보 등 전년도에 다양한 영재교육 기본과정을 수료한 학생 중 지원자를 선발하여 전체 100시간의 교육과정이 운영되었으며 본 연구에서 개발한 교육 프로그램은 그 일부로서 편성되었다.

데이터처리

자유 서술형 문항 2개를 제외한 각 문항에 대한 응답은 리커트 5점 척도(전혀 그렇지 않다(1) ~ 매우 그렇다(5))로 수집되었다. 수집된 응답은 SPSS Statistics V21을 활용하여 기술통계, 대응 표본 t 검정, 신뢰도 분석을 실시하였다.
본 연구에서 개발한 교육 프로그램의 교육적 효과성을 확인하기 위하여 실험 처치 전, 후에 사전 검사와 사후 검사로서 동일한 융합 태도 검사를 실시하였다. 분석에 앞서 표본 수가 n = 10으로 정규분포를 만족하는지 확인하기 위하여 하위영역별 Shapiro-Wilk 정규성 검정을 실시하였다. 그 결과 유의수준 .
분석에 앞서 표본 수가 n = 10으로 정규분포를 만족하는지 확인하기 위하여 하위영역별 Shapiro-Wilk 정규성 검정을 실시하였다. 그 결과 유의수준 .05에서 전 영역의 사전-사후 검사 점수 차이가 정규분포를 따르는 것으로 확인되어 대응 표본 t 검정을 실시하였다. Shapiro-Wilk 정규성 검정 결과는 Table 4와 같다.

이론/모형

사후 검사에서는 융합 태도 검사 이외에도 전체적인 교육 프로그램의 만족도를 확인하기 위하여 Holsapple & Lee-post(2006)의 학습자 만족도 문항 4개를 추가하였다[31]
본 연구에서 개발한 교육 프로그램의 교육적 효과성을 확인하기 위하여 방담이, 김지영, 윤회정(2019)이 개발한 융합 태도 검사 도구를 활용하였다. 여기서 융합 태도란 ‘융합 교육을 통해 함양될 것으로 기대되는 정서적, 감성적 특성’을 의미하며 [30] 해당 도구는 본 연구에서 지향하는 인문학과 공학의 융합과 연구 대상 학생들이 정보융합 트랙 영재학생들임을 고려하여 선정하였다.

성능/효과

인공지능 스토리텔링 학습법은 문제 상황을 이야기 형태로 제시하고 인공지능 기술로 해결하는 과정에서 인공지능 알고리즘을 쉽고 자연스럽게 이해할 수 있도록 돕는 교육 방법으로 문제 상황 탐색 – 문제 발견 – 문제 해결 – 알고리즘 정리 – 적용의 단계를 거친다[26]. 이를 본 연구에서 적용하고자 하는 노벨 엔지니어링과 비교해 보면, 인공지능 스토리텔링 학습법은 스토리를 통해 학습자들에게 어려운 인공지능의 개념과 원리를 자연스럽게 이해 및 적용할 수 있도록 한다는 점에서 개념 및 원리 학습에 강점이 있다. 또한 인공지능의 정수라 할 수 있는 알고리즘 자체에 집중한 수업이 가능하다는 점에서 심도 있는 정보교육에 적용하기 좋은 학습법이다.
사전-사후 검사 결과에 대한 대응 표본 t 검정 결과, 전 영역에서 프로그램 적용 전보다 후에 평균이 오른 걸 확인할 수 있었다. 영역별로 살펴보면 다양한 분야에 대한 흥미의 경우 사전 평균 33.
이러한 변화를 원 검사지에 융합 태도의 측면에서 해석하면 융합 태도 변화의 관점에서 본 연구에서 개발된 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램이 융합 교육을 통해 함양할 수 있는 정서적, 감성적 특성인 융합 태도를 전반적으로 향상시켰음을 유추할 수 있다[30]. 구체적으로 다양한 교과 영역에 대한 관심과 흥미가 향상되었으며, 융합에 대한 가치와 필요성을 인식하여 융합을 실천하려는 의지가 향상되었다.
이러한 변화를 원 검사지에 융합 태도의 측면에서 해석하면 융합 태도 변화의 관점에서 본 연구에서 개발된 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램이 융합 교육을 통해 함양할 수 있는 정서적, 감성적 특성인 융합 태도를 전반적으로 향상시켰음을 유추할 수 있다[30]. 구체적으로 다양한 교과 영역에 대한 관심과 흥미가 향상되었으며, 융합에 대한 가치와 필요성을 인식하여 융합을 실천하려는 의지가 향상되었다. 다만 융합 교육을 통해 함양할 수 있는 감성적 특성을 의미하는 심미적 감성 영역은 향상이 확인되지 않았다.
만족도의 경우 4개 문항으로 제시되었으며 전반적 만족도, 학습경험, 수업 구성, 추천 의향 모든 문항의 평균이 4.9 또는 5.0으로 만점에 가까운 만족도를 보여 개발된 수업 프로그램에 학습자들이 매우 만족하였음을 확인할 수 있었다. 만족도 조사 결과는 Table 6과 같다.
둘째, 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 융합교육 프로그램은 초등정보융합영재 학생들의 융합 태도 향상에 긍정적 영향을 미친다. 개발한 교육 프로그램의 수업 적용 이전과 이후에 실시된 동일한 융합 태도 검사[30]에서 학습자들의 융합 태도 전 영역의 평균이 상승하였으며, 그중 다양한 분야에 대한 흥미, 융합과제 해결에 대한 의지, 차이에 대한 이해와 수용, 교과융합에 대한 의지 영역에서 통계적으로 유의한 향상을 확인할 수 있었다.
둘째, 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 융합교육 프로그램은 초등정보융합영재 학생들의 융합 태도 향상에 긍정적 영향을 미친다. 개발한 교육 프로그램의 수업 적용 이전과 이후에 실시된 동일한 융합 태도 검사[30]에서 학습자들의 융합 태도 전 영역의 평균이 상승하였으며, 그중 다양한 분야에 대한 흥미, 융합과제 해결에 대한 의지, 차이에 대한 이해와 수용, 교과융합에 대한 의지 영역에서 통계적으로 유의한 향상을 확인할 수 있었다. 이는 문학작품을 읽고 등장인물의 문제 상황을 발견하고 해결책을 고안하여 설계 및 수정하고 이야기를 바꾸어 써보는 노벨 엔지니어링의 일련의 과정[7]이 영재 학생의 융합에 대한 태도에 긍정적인 영향을 미쳤음을 시사한다.
셋째, 노벨 엔지니어링을 접목하여 영재교육에서 인문학과 공학의 자연스러운 융합을 추구하는 구체적 방법론을 제시하였다. 기존의 융합영재교육은 대부분 STEAM 교육 위주로 진행되고 있다.
노벨 엔지니어링과 인공지능 교육을 접목한 기존 연구를 검토한 결과 대부분 수업 개발연구로 전문가 검토를 받아 타당성을 확보하였으나 실제 교육 현장에서 학생들을 대상으로 교육 효과성을 검토해 보지는 않은 한계가 있었다. 현장 적용 연구의 경우 그 사례가 적고 데이터 영역 이외에 인공지능 원리에 대한 현장 적용 연구는 매우 부족하여 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램의 실제 교육적 효과성 검토 연구가 추가로 수행될 필요가 있다.

후속연구

노벨 엔지니어링과 인공지능 교육을 접목한 기존 연구를 검토한 결과 대부분 수업 개발연구로 전문가 검토를 받아 타당성을 확보하였으나 실제 교육 현장에서 학생들을 대상으로 교육 효과성을 검토해 보지는 않은 한계가 있었다. 현장 적용 연구의 경우 그 사례가 적고 데이터 영역 이외에 인공지능 원리에 대한 현장 적용 연구는 매우 부족하여 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육 프로그램의 실제 교육적 효과성 검토 연구가 추가로 수행될 필요가 있다.
이 영역의 문항들은 ‘나는 예술작품에서 느낀 감정을 다양한 방법으로 표현할 수 있다.’와 같이 예술 영역과 관련된 문항들로, 본 연구에서 개발된 프로그램에 예술적인 측면이 추가적으로 개선될 필요가 있음을 시사한다.
한편 본 연구의 한계점은 영재 학생 대상 연구의 특성상 한계로 일반화 하기 어려운 수의 연구 대상자로 연구가 수행되었다는 점이다. 이에 따라 본 연구의 내용이 일반화되기 위해서는 다양한 환경과 배경의 학습자들을 대상으로 연구가 추가로 수행될 필요가 있다.
한편 본 연구의 한계점은 영재 학생 대상 연구의 특성상 한계로 일반화 하기 어려운 수의 연구 대상자로 연구가 수행되었다는 점이다. 이에 따라 본 연구의 내용이 일반화되기 위해서는 다양한 환경과 배경의 학습자들을 대상으로 연구가 추가로 수행될 필요가 있다. 나아가 후속 연구로서 영재 학생 이외의 일반 학생들을 대상으로 확장한 연구도 수행될 필요가 있다.
이에 따라 본 연구의 내용이 일반화되기 위해서는 다양한 환경과 배경의 학습자들을 대상으로 연구가 추가로 수행될 필요가 있다. 나아가 후속 연구로서 영재 학생 이외의 일반 학생들을 대상으로 확장한 연구도 수행될 필요가 있다.
첫째, 노벨 엔지니어링 기반의 인공지능 교육에 대한 교육 현장 적용과 효과성 검토 연구가 지속해서 이루어져야 한다. 이는 기존에도 지적된 바 있으나[34] 여전히 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육의 교육적 효과성에 관한 연구는 충분하지 않은 것으로 분석되었다.
이는 기존에도 지적된 바 있으나[34] 여전히 노벨 엔지니어링 기반 인공지능 교육의 교육적 효과성에 관한 연구는 충분하지 않은 것으로 분석되었다. 노벨 엔지니어링이 인공지능 융합교육을 위한 의미 있는 교수법으로 제안되는 만큼[6] 현장에의 적용을 위한 추가적인 연구가 진행되어야 할 필요가 있다.
둘째, 영재 학생을 위한 인공지능 교육 연구가 다각도로 이루어질 필요가 있다. 인공지능 핵심 기술에 대한 내용은 정보 영재 학생 대상으로 이루어지는 것이 당연하다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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